1 Giới thiệu
Nhiều nghiên cứu đang phát triển trên nguồn điện hàn. Những nghiên cứu được thực hiện để đạt được hai mục tiêu, thứ nhất: tăng chất lượng hàn và thứ hai: giảm trọng lượng và kích thước. Điện áp cung cấp bởi lưới điện Quốc gia cho mục đích công nghiệp là quá cao để sử dụng trực tiếp trong hàn hồ quang. Do đó, chức năng đầu tiên của hàn thiết bị hồ quang là giảm đầu vào cao đến một phạm vi điện áp đầu ra phù hợp [thường 20-80 Volts]. Hoặc là một biến áp, biến tần, hoặc một máy phát điện động cơ có thể được sử dụng để giảm 120, 240 hoặc 480 V nguồn thích hợp cho hàn hồ quang; Các thiết bị tương tự cũng cung cấp một dòng điện hàn cao thường từ 30 to1500 (A).
Nhiều nghiên cứu đang phát triển trên nguồn điện hàn. Những nghiên cứu được thực hiện để đạt được hai mục tiêu, thứ nhất: tăng chất lượng hàn và thứ hai: giảm trọng lượng và kích thước. Điện áp cung cấp bởi lưới điện Quốc gia cho mục đích công nghiệp là quá cao để sử dụng trực tiếp trong hàn hồ quang. Do đó, chức năng đầu tiên của hàn thiết bị hồ quang là giảm đầu vào cao đến một phạm vi điện áp đầu ra phù hợp [thường 20-80 Volts]. Hoặc là một biến áp, biến tần, hoặc một máy phát điện động cơ có thể được sử dụng để giảm 120, 240 hoặc 480 V nguồn thích hợp cho hàn hồ quang; Các thiết bị tương tự cũng cung cấp một dòng điện hàn cao thường từ 30 to1500 (A).
Một nguồn năng lượng biến áp thông thường sử dụng một máy
biến áp công suất cao khiến cho trọng lượng và kích thước rất lớn. Nhiều nỗ lực
đã được thực hiện để giảm trọng lượng và kích thước của chúng trong đó việc sử
dụng một mạch biến tần. Một mạch biến tần có thể giảm đáng kể kích thước và
trọng lượng của các thành phần cũng như giảm tổn thất điện của chúng; Biến tần
là một mạch trong đó sử dụng các thiết bị trạng thái rắn để chuyển đổi DC thành
AC tần số cao, thường ở khoảng 10 kHz đến 500kHz, giả định rằng các nguồn điện
hàn thông thường sử dụng máy biến áp hoạt động ở tần số dòng (50 hoặc 60 Hz). Kể
từ khi kích thước biến áp tỉ lệ nghịch với tần số, ứng dụng giảm lên đến 75 phần
trăm về kích thước nguồn năng lượng và trọng lượng khi sử dụng mạch biến
tần;
Để bắt đầu một hồ quang điện, không khí phải chuyển đổi
thành trạng thái plasma để giảm trở kháng trong môi trường áp cao thông qua
khoảng cách không khí. Việc cung cấp điện do đó phải có khả năng cung cấp cả hai
đặc điểm đầu ra (điện áp cao ban đầu và duy trì dòng hàn cao), như thể hiện trên
đường cong VI trong Hình 1. Arc starting yêu cầu đối với hàn hồ quang phụ thuộc
vào việc phát triển một điện áp giảm đủ giữa các điện cực hàn và các vật liệu
gia công để bắt đầu một hồ quang phóng ra trên điện cực. Trong một biến áp bình
thường, điện áp mở mạch là một chức năng của điện áp đầu vào sơ cấp và tỷ lệ sơ
cấp đến cuộn dây thứ cấp, do đó, để giảm điện áp khi bắt đầu hồ quang, một
series inductor có kết quả trong việc tăng trọng lượng và kích thước được sử
dụng. Để giảm điện áp trong biến tần, TRC với mức thấp thời gian chuyển mạch
được đưa vào sử dụng. Thời gian thấp có thể dẫn đến tiêu hao năng lượng cao trên
máy biến áp biến tần và chuyển mạch, do đó làm tăng trọng lượng và kích cỡ.
trong nghiên cứu này, tôi chú ý đến một mạch phụ trợ đơn giản mà tạo tần số cao
cộng hưởng điện áp vào cùng đầu ra điện áp DC bằng một coupling transformer và
điều này điện áp over-shot có thể gây hồ quang dễ dàng hơn. Khi Arc Starter và
dòng tăng, biến áp sẽ được ngắn mạch và hệ thống sẽ duy trì hoạt động của nó.
Cách tiếp cận đơn giản này thúc đẩy khởi Arc và ổn định.
2. Hoạt động mạch:
Sơ đồ khối của hệ thống được thể hiện trong hình 2 Giai
đoạn đầu tiên là một mạch chỉnh lưu có thể chuyển đổi AC điện áp đầu vào chính
để DC trong một tụ lọc. giai đoạn thứ hai là một mạch biến tần có thể chuyển đổi
điện áp DC vào một làn sóng vuông tần số cao được áp dụng cho một ferrite lõi
bước xuống biến áp để giảm và cô lập các điện áp đầu vào. Sau đó một mạch chỉnh
lưu có lợi từ một cặp cực điốt dòng chuyển đổi cựu nhanh (ultra fast high
current diodes ) các sóng vuông để tạo điện áp DC và một tụ làm giảm gợn sóng
đầu ra. Đây là mạch máy hàn Inverter thông thường. Một biến áp có liên quan đến
3 điện áp đầu ra mà hoạt động như Arc Starter và một tụ điện bỏ qua, Cb, sẽ bỏ
qua điện áp tần số cao điện mạch Arc Starter, do đó nó ngăn cản tần số Arc
Starter của điện áp cao rò rỉ ảnh hưởng tới mạch biến tần. Arc starter phải hoạt
động theo hai điều kiện, cụ thể là; điều kiện mở mạch khi các phương tiện khí
xung quanh điện cực đã được ion hóa để bắt đầu vòng cung [Chế độ 1], và một dòng
điện thứ cấp lớn khi một plasma tồn tại xung quanh các điện cực [Chế độ 2], Arc
starter sử dụng một loạt cộng hưởng song song quy nạp, nạp chuyển đổi trong đó
các mạch chuyển đổi cộng hưởng được thể hiện trong hình 3. Các cảm từ hóa (Lm)
và điện cảm rò rỉ (LL) của máy biến áp được sử dụng để cộng hưởng với Cr, Một
điện áp thứ cấp cao thu được trong chế độ 1 hoạt động bằng cách chuyển các
chuyển đổi. Điện áp thu được với tần số cộng hưởng:tần số:
Sử
dụng các yếu tố chất lượng của bể chứa năng lượng cộng hưởng sẽ khuếch đại điện
áp đầu ra. Trong chế độ hoạt động 2, cốt lõi là bão hòa bởi dòng hàn cao chảy
qua các cuộn thứ cấp của máy biến áp; do đó cảm cộng hưởng làm giảm đáng kể vào
Lm. Bể chứa lực cho dòng do đó tăng đáng kể trong 2 chế độ hoạt động. Trong
trường hợp này hệ thống kiểm soát không theo dõi các cấp năng lượng dòng cao, do
đó, bể chứa không tràn đầy năng lượng, và A rc starter không bơm điện áp đầu ra.
Năng lượng cần thiết để sạc các tụ điện trong mạch cộng hưởng được lấy từ các
nguồn cung cấp DC. Các chuyển mạch được điều khiển bởi các xung từ bộ điều khiển
PWM kiểm soát năng lượng đầu vào cho các mạch cộng hưởng. Để có xung phù hợp
với, việc chuyển đổi dòng được so sánh với một chuỗi sóng dạn răng cưa.
3 Thiết kế biến áp
Phân tích các biến phức tạp do bão hòa lõi và tổn thất
dòng xoáy, đặc biệt là trong các vòng dây dẫn lớn của dòng thứ cấp cao. Khối
lượng, trọng lượng và sản xuất được của các máy biến áp cũng là yếu tố quan
trọng để đánh giá và cuộn dây hàn thứ cấp có khả năng thực hiện các dòng hàn, có
thể là từ 5 đến 200A, và sức đề kháng của nó phải được thiết kế phù hợp. Các
hướng dẫn sau đây đã được sử dụng để thiết kế các máy biến áp.
1) cáp hàn được sử dụng trên cuộn dây hàn thứ cấp, do đó,
xác định bởi sản lượng dòng hàn định mức của máy hàn. Thứ cấp chiếm hầu hết các
không gian trong cửa sổ cuốn dây biến áp, và số vòng thứ cấp được xác định bởi
các không gian có sẵn.
2) Một kích thước lõi phù hợp có thể xử lý tích phân yêu
cầu điện áp đầu ra được lựa chọn. Một sự cao hơn bình thường mật độ thông lượng
cho một tần số nhất định được sử dụng và các tổn thất được giảm bằng cách điều
chỉnh chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) của hoạt động burst.
3) Tỷ sốcủa số vòng dây, cũng như các yếu tố chất lượng,
xác định điện áp đầu ra trên thứ cấp trong chế độ hoạt động 1. Khi số vòng cuộn
sơ cấp giảm, để đạt được tỷ số cao hơn, các yếu tố chất lượng bị suy giảm cùng
một lúc. Do đó, điện áp đầu ra không nhạy cảm với tỷ lệ của vòng dây là một mong
đợi. Trong khi nghiên cứu, tỷ lệ vòng dây 1: 1 đã được lựa chọn.
4) Chế độ 1 cảm cộng hưởng và điện dung được lựa chọn dựa
trên các yêu cầu về tần số cộng hưởng và dự trữ trở kháng đặc tính. Khoảng cách
không khí được điều chỉnh để đạt được một LL mong muốn. Lựa chọn cấu hình biến
áp tốt nhất bị ảnh hưởng bởi các ứng dụng cụ thể. Theo kinh nghiệm này, tôi sử
dụng U_52 lõi biến áp (hình 4). Lợi thế của U-52 biến áp lõi này là có cửa sổ
lớn. Tuy nhiên nhược điểm là xây dựng rất phức tạp do số lượng lớn các lõi xếp
chồng lên nhau.
4 Kết quả mô phỏng
ORCAD được sử dụng cho hệ thống mô phỏng để đánh giá hiệu
suất của hệ thống. Các thông số mô phỏng như sau:
Vin
= 220 V (rms)
Cs = 4400 µF
Inverter MOSFETs = IRFP 460
Main Transformer = EE-65
Ultra-fast Diodes = DSE160-06
Output inductor = 10 µH
Resonant tank parameters:
Cr
= 4.7 nF,
Lm=Ll
= 2.5 µH
OSC frequency = 100 kHz
Arc starting time = 10µs
Arc stopping time = 70µs
Một chu kỳ điển hình hoàn chỉnh của quá trình hàn (kể cả
hồ quang bắt đầu, hàn và ngừng) được thể hiện trong Hình 5.
Trong hình 6a chu kỳ điển hình trong chế độ 1 hoạt động
được hiển thị. Điện áp đỉnh mồi hồ quang không phải là yêu cầu liên tục. Chu kỳ
được lặp lại cho đến khi hồ quang được xuất hiện khi điện cực hàn đạt đến một
khoảng cách đủ từ phôi, ngay lập tức của 20μs khi Arc bắt đầu và trong sức cản
không khí 10μs làm giảm khoảng 0,1 ohm. Thời gian cần thiết cho sức cản không
khí để làm giảm bớt là phụ thuộc vào nhiều các thông số như nhiệt độ, khoảng
cách, đường kính điện cực, áp suất khí …vv. Nhưng nó thay đổi từ 1-2 ms đến 70
ms. Trong khoảnh khắc của 30μs tới 200μs, không khí đã được chuyển đổi sang
trạng thái plasma. Plasma khiến trở kháng thấp để chuyển đổi và tăng dòng hàn
(100A) (hình 6).
Kết quả, nhiệt độ cao làm tan chảy các điện cực và vật liệu gia công. Trong hình 7 các mạch cộng hưởng là không được kích thích và chỉ có điện áp hoạt động hồ quang có thể được nhìn thấy. Nếu phá vỡ hồ quang vì lý do nào, như gia tăng khoảng cách điện cực, hoặc bằng cách rung tay của người dùng hoặc bằng cách sử dụng quyết định để kết thúc hàn, trở kháng khoảng cách không khí tăng do đó nguồn năng lượng cao bị ức chế bởi vậy dòng và nhiệt độ giảm . Cho phép giả định rằng hiện tượng này có 70μs thời gian sau đó khởi hồ quang sẽ tự động trở về chế độ hoạt động 1 và một điện áp đầu ra cao sẽ một lần nữa được áp dụng để khởi động lại Arc. fig.5 đồ thị cho thấy điều này xảy ra thoáng qua (hình 8).
Thông số quan trọng của hàn hồ quang khác nhau với những
thay đổi trong cộng hưởng điện dung. Sáu tụ khác nhau được áp dụng trong mô
phỏng để phân tích hệ thống phản ứng. Đầu ra RMS điện áp so với lựa chọn thay
thế tụ điện cộng hưởng được thể hiện trong H 9 Tổng số hồ quang khởi động tiêu
hao điện năng so với. lựa chọn thay thế tụ điện cộng hưởng bắt nguồn từ trong
hình 10.
Sử dụng các kết quả điện dung lớn hơn trong giảm điện
năng tiêu thụ do đó làm tăng trong hiệu quả. Mặt khác, sự lựa chọn này làm giảm
điện áp đầu ra do đó Arc starts ở khoảng cách gần hơn dẫn đến ngắn mạch. Khi
Cris nhỏ nhất, điện áp đầu ra và tần số tăng và Arc starts ở khoảng cách lớn
hơn, kết quả là Arc phóng điện dễ dàng hơn và dẫn đến tiêu thụ điện năng nhiều
hơn hay ít hiệu quả.
Kết luận
Một mạch arc starter/arc ổn định mới và đơn giản được đề
xuất để tạo thuận lợi cho quá trình hàn hồ quang và phòng ngừa sức hút của điện
cực. Mô phỏng và kết quả thực nghiệm xác minh hiệu suất đáng kể của mạch được đề
xuất. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm là gần nhau cho thấy các mô hình Arc và
mạch thiết kế đã được chấp nhận. Tiêu thụ điện năng của mạch được đề xuất là
thấp bởi vì nó là cơ bản một mạch cộng hưởng. Bằng cách sử dụng mạch đề xuất đã
dẫn đến giảm tổn thất điện năng đồng biến nên hiệu quả tổng thể của hệ thống đã
tăng lên.